cocos2dx 关节系统（铰链/弹簧/车轮关节)

一、引言

• 铰链关节（Hinge Joint / Revolute Joint）：像合页一样，让两个刚体绕固定点旋转。
• 弹簧关节（Spring Joint / Distance Joint with spring）：像橡皮筋一样，维持两刚体间的距离并有弹性。
• 车轮关节（Wheel Joint / Damped Spring Joint）：模拟车辆的悬挂与轮子转动，常用于车辆物理。

二、技术背景

2.1 Cocos2d-x 物理系统

• Chipmunk​ 提供：cpPivotJoint（铰链）、cpDampedSpring（弹簧）、cpGrooveJoint（类似车轮约束）。
• Box2D​ 提供：b2RevoluteJoint（铰链）、b2DistanceJoint（可设弹簧）、b2WheelJoint（车轮）。

2.2 为什么要用关节？

• 表现真实物理行为：如门的旋转、链条摆动、车子的悬挂。
• 减少手动计算：无需在 update()里手动施加扭矩或距离修正。
• 提高性能与稳定性：物理引擎内部以约束求解方式处理，比脚本逻辑更稳定。

三、应用场景

四、核心原理与原理解释

4.1 关节本质

4.2 各关节原理

Hinge Joint（铰链）

• 定义一个锚点（anchor），两个刚体围绕该点相对旋转。
• 可设置马达（motor）驱动旋转，限制角度范围（limits）。

Spring Joint（弹簧）

• 维持两个刚体之间的距离接近目标长度。
• 提供弹性系数（stiffness）和阻尼（damping）控制振荡衰减。

Wheel Joint（车轮）

• 一个刚体（车身）与另一个刚体（轮子）连接，轮子可沿某轴线滑动并旋转。
• 带有悬挂弹簧效果，适合车辆悬挂模拟。

4.3 原理流程图

graph TD
    A[创建刚体A、刚体B] --> B[定义关节锚点与参数]
    B --> C[调用 PhysicsJoint::createXXX]
    C --> D[添加到 PhysicsWorld]
    D --> E[物理引擎每帧求解约束]
    E --> F[刚体按关节规则运动]

五、环境准备

• Cocos2d-x 版本：v3.17+（含 v4.x）
• 语言：C++11+
• IDE：VS2019 / Xcode / Android Studio
• 启用物理：在场景中使用 Scene::createWithPhysics()

创建支持物理的场景

// MyScene.cpp
#include "cocos2d.h"

USING_NS_CC;

Scene* MyScene::createScene() {
    auto scene = Scene::createWithPhysics(); // 开启物理世界
    auto layer = MyScene::create();
    scene->addChild(layer);
    return scene;
}

六、不同场景详细代码实现

6.1 Hinge Joint（门绕轴旋转）

// HingeJointDemo.h
#ifndef HINGEJOINTDEMO_H
#define HINGEJOINTDEMO_H

#include "cocos2d.h"

class HingeJointDemo : public cocos2d::Layer {
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init();
    CREATE_FUNC(HingeJointDemo);

private:
    cocos2d::Sprite* door;
    cocos2d::Sprite* frame;
    cocos2d::PhysicsJoint* hingeJoint;
};

#endif

// HingeJointDemo.cpp
#include "HingeJointDemo.h"
USING_NS_CC;

Scene* HingeJointDemo::createScene() {
    auto scene = Scene::createWithPhysics();
    scene->getPhysicsWorld()->setDebugDrawMask(PhysicsWorld::DEBUGDRAW_ALL);
    auto layer = HingeJointDemo::create();
    scene->addChild(layer);
    return scene;
}

bool HingeJointDemo::init() {
    if (!Layer::init()) return false;

    auto visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();

    // 创建门框（静态刚体）
    frame = Sprite::create("frame.png"); // 替换为你的图片
    frame->setPosition(visibleSize.width / 2, visibleSize.height / 2);
    addChild(frame);

    auto frameBody = PhysicsBody::createBox(frame->getContentSize());
    frameBody->setDynamic(false);
    frame->setPhysicsBody(frameBody);

    // 创建门（动态刚体）
    door = Sprite::create("door.png");
    door->setPosition(visibleSize.width / 2 - 100, visibleSize.height / 2);
    addChild(door);

    auto doorBody = PhysicsBody::createBox(door->getContentSize());
    doorBody->setDynamic(true);
    door->setPhysicsBody(doorBody);

    // 创建铰链关节：锚点在门框右侧中心
    hingeJoint = PhysicsJointHinge::construct(
        doorBody, frameBody,
        frame->getPosition()
    );
    hingeJoint->setMaxTorque(10000); // 可加马达
    getScene()->getPhysicsWorld()->addJoint(hingeJoint);

    // 点击屏幕给门一个推力测试
    auto listener = EventListenerTouchOneByOne::create();
    listener->onTouchBegan = [&](Touch* t, Event* e) {
        Vec2 force = Vec2(5000, 0);
        doorBody->applyImpulse(force);
        return true;
    };
    _eventDispatcher->addEventListenerWithSceneGraphPriority(listener, this);

    return true;
}

6.2 Spring Joint（蹦床）

// SpringJointDemo.h
#ifndef SPRINGJOINTDEMO_H
#define SPRINGJOINTDEMO_H

#include "cocos2d.h"

class SpringJointDemo : public cocos2d::Layer {
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init();
    CREATE_FUNC(SpringJointDemo);

private:
    cocos2d::Sprite* ball;
    cocos2d::Sprite* anchor;
    cocos2d::PhysicsJoint* springJoint;
};

#endif

// SpringJointDemo.cpp
#include "SpringJointDemo.h"
USING_NS_CC;

Scene* SpringJointDemo::createScene() {
    auto scene = Scene::createWithPhysics();
    scene->getPhysicsWorld()->setDebugDrawMask(PhysicsWorld::DEBUGDRAW_ALL);
    auto layer = SpringJointDemo::create();
    scene->addChild(layer);
    return scene;
}

bool SpringJointDemo::init() {
    if (!Layer::init()) return false;

    auto visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();

    // 锚点（静态）
    anchor = Sprite::create("anchor.png");
    anchor->setPosition(visibleSize.width / 2, visibleSize.height - 100);
    addChild(anchor);

    auto anchorBody = PhysicsBody::createStaticBody();
    anchorBody->addShape(PhysicsShapeCircle::create(5));
    anchor->setPhysicsBody(anchorBody);

    // 小球（动态）
    ball = Sprite::create("ball.png");
    ball->setPosition(visibleSize.width / 2, visibleSize.height / 2);
    addChild(ball);

    auto ballBody = PhysicsBody::createCircle(ball->getContentSize().width / 2);
    ballBody->setDynamic(true);
    ball->setPhysicsBody(ballBody);

    // 弹簧关节
    springJoint = PhysicsJointSpring::construct(
        ballBody, anchorBody,
        ball->getPosition(), anchor->getPosition(),
        100.0f, // 自然长度
        100.0f  // 刚度系数 stiffness
    );
    springJoint->setDamping(5.0f); // 阻尼
    getScene()->getPhysicsWorld()->addJoint(springJoint);

    return true;
}

6.3 Wheel Joint（简易车）

// WheelJointDemo.h
#ifndef WHEELJOINTDEMO_H
#define WHEELJOINTDEMO_H

#include "cocos2d.h"

class WheelJointDemo : public cocos2d::Layer {
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init();
    CREATE_FUNC(WheelJointDemo);

private:
    cocos2d::Sprite* carBody;
    cocos2d::Sprite* wheel;
    cocos2d::PhysicsJoint* wheelJoint;
};

#endif

// WheelJointDemo.cpp
#include "WheelJointDemo.h"
USING_NS_CC;

Scene* WheelJointDemo::createScene() {
    auto scene = Scene::createWithPhysics();
    scene->getPhysicsWorld()->setDebugDrawMask(PhysicsWorld::DEBUGDRAW_ALL);
    auto layer = WheelJointDemo::create();
    scene->addChild(layer);
    return scene;
}

bool WheelJointDemo::init() {
    if (!Layer::init()) return false;

    auto visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();

    // 车身（动态）
    carBody = Sprite::create("car_body.png");
    carBody->setPosition(visibleSize.width / 2, 150);
    addChild(carBody);

    auto body = PhysicsBody::createBox(carBody->getContentSize());
    body->setDynamic(true);
    carBody->setPhysicsBody(body);

    // 轮子（动态）
    wheel = Sprite::create("wheel.png");
    wheel->setPosition(visibleSize.width / 2, 100);
    addChild(wheel);

    auto wheelBody = PhysicsBody::createCircle(wheel->getContentSize().width / 2);
    wheelBody->setDynamic(true);
    wheel->setPhysicsBody(wheelBody);

    // 车轮关节（Chipmunk 用 GrooveJoint 模拟，这里用简化版）
    wheelJoint = PhysicsJointGroove::construct(
        body, wheelBody,
        Vec2(-50, 0), Vec2(50, 0), // 滑轨方向
        wheel->getPosition()
    );
    getScene()->getPhysicsWorld()->addJoint(wheelJoint);

    return true;
}

说明：Cocos2d-x 对 Box2D 的 WheelJoint 封装较少，若需精确车轮关节建议使用 Box2D 原生 API。Chipmunk 可用 cpGrooveJoint近似实现。

七、运行结果与测试步骤

7.1 运行结果

• HingeJoint：门绕门框旋转，点击屏幕可推开。
• SpringJoint：小球受重力下落后被弹簧拉回。
• WheelJoint：车身与轮子联动移动（需加水平力测试）。

7.2 测试步骤

1. 按环境准备配置 Cocos2d-x 工程。
2. 将上述代码加入 Classes目录，并在 AppDelegate中加载对应场景。
3. 放入所需 PNG 素材或临时用纯色 Sprite 代替。
4. 编译运行，观察关节约束效果。
5. 开启 DebugDraw 查看碰撞体与关节位置。

八、部署场景

• 移动端 2D 动作/模拟游戏：如愤怒的小鸟（弹簧）、机械谜题（铰链）。
• 教育类物理演示：帮助学生理解旋转、弹性、悬挂。
• 原型快速开发：用关节快速验证玩法机制。

九、疑难解答

1. 关节无效​
   • 检查刚体是否已加入 PhysicsWorld。
   • 锚点坐标是否在两个刚体范围内。
2. 关节抖动​
   • 调整刚度与阻尼参数，避免过高刚度。
   • 检查质量比例，避免极端质量差。
3. Box2D 与 Chipmunk API 差异​
   • 查阅官方 testbed 示例，确认参数意义。

十、未来展望与技术趋势

• 可视化关节编辑器：在 Cocos Creator 中拖拽配置关节。
• 更多关节类型支持：如绳索关节、滑轮关节。
• 与动画系统结合：关节状态驱动骨骼动画。

十一、总结

• 明确刚体角色（动态/静态）。
• 合理设置锚点与参数（刚度、阻尼、限制）。
• 利用 DebugDraw 验证关节位置和约束效果。